脈沖激光沉積TiN-AIN納米多層膜制備及其變形機(jī)理研究.pdf

1、多層膜結(jié)構(gòu)材料是目前人工制備強(qiáng)度最高的材料之一，當(dāng)多層膜單層尺寸接近、甚至低于各種物理機(jī)制臨界尺寸時(shí)，在有限尺度空間下，多層膜結(jié)構(gòu)與性能的尺度效應(yīng)愈加凸現(xiàn)。人們已經(jīng)在硬度異常和尺度效應(yīng)方面開展了大量工作，但對(duì)于調(diào)制結(jié)構(gòu)如何限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，小周期下交變應(yīng)力場(chǎng)形成機(jī)制，以及界面耦合帶來(lái)變形與開裂機(jī)理的不同仍需要進(jìn)一步的解釋與驗(yàn)證。
　　 本文采用脈沖激光沉積法制備了TiN/AlN單、多層膜，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)極差分析確定了脈沖激光沉積中工藝

2、條件對(duì)薄膜的硬度、表面形貌及晶體結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，并優(yōu)化沉積工藝。在此基礎(chǔ)上采用基于免疫算法的(Immune Radial Basis Function, IRBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立AlN厚度模型，設(shè)計(jì)出具有可控調(diào)制結(jié)構(gòu)的納米多層膜。同時(shí)，提出宏微觀相結(jié)合的思路，一方面針對(duì)納米多層膜特性表征，利用“Top-Down”原理，通過(guò)不斷減小多層膜及其組元的幾何尺度，探索由此帶來(lái)的特性變化；另一方面基于“Bottom-Up”原理，利用多尺度分析方法，

3、擴(kuò)大數(shù)值模擬空間，逼近實(shí)驗(yàn)適用的幾何尺度。從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面著手，縮小兩種方法適用空間的尺度差異，建立跨越宏、細(xì)、微觀領(lǐng)域的橋梁。本文的主要工作和成果如下：
　　 1．本文提出了免疫徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法制備可控調(diào)制結(jié)構(gòu)納米多層膜的技術(shù)路線。掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)研究顯示納米多層膜的調(diào)制周期尺寸均在λ=(10-200)nm范圍內(nèi)，薄膜表面比較均勻。小調(diào)制周期時(shí)TiN/Al

4、N形成具有強(qiáng)烈織構(gòu)的超晶格柱狀晶多層膜；與此相應(yīng)，多層膜產(chǎn)生了硬度和彈性模量增高。隨著調(diào)制周期增加，納米多層膜形成非晶AlN層和納米晶TiN層的多層結(jié)構(gòu)，多層膜的硬度和彈性模量逐漸下降。(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)結(jié)果表明多層膜界面由Tj+4、Tj+3離子組成，N的負(fù)二價(jià)、三價(jià)亞譜結(jié)構(gòu)預(yù)示著非當(dāng)量TiN、AlN的形成。當(dāng)多層薄膜調(diào)制周期在50nm以下時(shí)，薄膜硬度明顯高于TiN和AlN的混合

5、硬度，可達(dá)30Gpa。
　　 2．本文不僅通過(guò)改變調(diào)制周期的方法研究TiN/AlN納米多層膜的機(jī)械性能，同時(shí)也引入了改變調(diào)制比的方法研究TiN/AlN納米多層膜的特性。掃描電鏡和原子力顯微鏡(Atomatic Force Microscopy, AFM)顯示調(diào)制比在l=(1-4)之間，小調(diào)制比下薄膜表面的島密度小，島面積過(guò)大，分布不均勻，相鄰島之間的起伏較大；X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)結(jié)果表明小調(diào)制

6、比下AlN相為明顯的(002)擇優(yōu)取向，TiN相主要以(200)(220)形式存在。調(diào)制比增大后，AlN相的擇優(yōu)取向減弱，TiN相變化并不明顯，同時(shí)伴隨著薄膜晶粒的細(xì)化。納米壓痕(Nanoindentation, NI)結(jié)果顯示薄膜硬度明顯提高，EDS分析得出相與相界面錯(cuò)配度增大，同時(shí)界面Al含量的增加。
　　 3．低氮分壓下薄膜表面顆粒相對(duì)較小，顆粒之間的空隙不明顯，隨著氮分壓的升高，薄膜表面顆粒明顯粗化，且直徑變大高度增高，

7、顆粒之間孔隙變大。XRD研究表明，氮分壓的增大可以在一定程度上促進(jìn)AlN(002)相的形成，但抑制了TiN(111)的形成。XPS研究顯示薄膜中N、Al、Ti元素鍵以多種形式存在，并在界面形成TixAl1-xN結(jié)構(gòu)。納米硬度測(cè)量發(fā)現(xiàn)氮分壓的增大有利于薄膜的硬度的提高，且薄膜的硬度明顯依賴于晶粒尺寸分布和相結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明脈沖激光燒蝕奇異靶制備TiN/AlN過(guò)程中，通過(guò)控制氮分壓來(lái)調(diào)控激光等離子羽中粒子的運(yùn)輸能量不僅得到了預(yù)期的相結(jié)構(gòu)，同時(shí)也

8、調(diào)控了晶粒的尺寸分布。
　　 4．納米壓痕誘發(fā)具有不同尺度和界面結(jié)構(gòu)的多層膜研究發(fā)現(xiàn)，尺度對(duì)多層膜的微結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸有重要的影響。不同的尺度范圍多層薄顯示不同的變形行為。當(dāng)多層膜的單層厚度在亞微米尺度時(shí)，薄膜體現(xiàn)了其薄膜材料的本征性能，趨向于脆性斷裂；當(dāng)多層膜的單層厚度減小到納米尺度時(shí)，在壓痕誘發(fā)下薄膜材料產(chǎn)生了傾向于塑性的剪切帶形變；從而揭示了單向機(jī)械加載下多層膜的變形斷裂行為機(jī)理，并獲得材料的強(qiáng)度與臨界斷裂應(yīng)變與多層膜的單層